光刻工艺中g线、i线、DUV、EUV是什么意思？

老虎说芯|Tiger Chip|

2025-04-02 21:59:08 804

不同波长的光源各自对应不同的技术节点和制造需求。从早期的 g线、i线到目前主流的 KrF、ArF 再到最 .的 EUV，每一次升级都展现了更高分辨率和更先进的工艺水平。随着对器件尺寸不断逼近物理极限，EUV及其后续升级版本将持续发展。

但需注意，EUV设备昂贵、维护复杂，加之掩模技术、衬底材料以及光刻胶等配套环节都需要同步提升。因此，产业界对多重曝光、混合工艺（ArF与EUV 结合）等灵活的过渡方案也有广泛需求。未来，或许还有其他更短波长甚至基于电子束等新技术的突破，但要实现大规模量产，仍有很多工程与成本难题需要逐步攻克。

一、背景与重要性

在芯片制造过程中，光刻被认为是决定集成电路集成度的核心工序，其核心目标是将设计好的微纳级电路图形“转印”到衬底（通常是硅片）上。随着对芯片小型化与性能提升的追求愈发迫切，光刻分辨率也不断演进。而分辨率能否进一步提升，很大程度上取决于所采用的光源波长——波长越短，潜在的分辨率越高，因此也能满足更先进、更精细的技术节点需求。

二、光源波长与技术节点的对应关系

1. 紫外光（汞灯）

g线（436 nm）

对应技术节点：≥0.5 μm
适用场景：早期集成电路制造或对线宽要求不高的器件。
特点：工艺稳定成熟，设备成本相对较低，但无法满足深亚微米级别的线宽需求。

i线（365 nm）

对应技术节点：0.35～0.25 μm
适用场景：比 g 线更先进一代的紫外光刻技术，广泛用于 0.35 μm 及 0.25 μm 等时代节点。
特点：曾是大规模生产的主流方案，但目前在更高端领域已基本被深紫外工艺取代。

2. 深紫外线（DUV）

KrF（248 nm）

对应技术节点：0.25～0.13 μm
适用场景：深入亚微米领域的主流光刻技术，推动集成电路制程进入 0.13 μm 门槛。
特点：相比 i 线进一步缩短的波长提高了光刻分辨率，实现了单层、多层掩模曝光等工艺。

ArF（193 nm / 浸没式 193 nm）

对应技术节点：0.13 μm～7 nm
适用场景：从 0.13 μm 一路延伸到更小的几十纳米乃至数纳米级别，业内大量高端制程都依赖 ArF 结合浸没式曝光及多重曝光工艺。
特点：193 nm 光源结合浸没式技术可“变相”增加曝光系统数值孔径（NA），再叠加双重/多重曝光等方法，使其覆盖极为宽泛的节点范围。当前不少先进工厂在 7 nm 或 10 nm 制程中仍在使用 ArF 浸没式光刻与多重曝光的组合。

F?（157 nm）

对应技术节点：尚未产业化应用
适用场景：理论上可实现高分辨率，但在材料、光学系统、成本等层面遇到瓶颈，未能大规模投入生产。
特点：曾被视为下一代深紫外光刻的潜力方案，但由于面临诸多技术挑战，被 EUV 技术在一定程度上替代。

3. 等离子体极紫外线（EUV）

EUV（13.5 nm）

对应技术节点：7 nm/5 nm 及以下
适用场景：用于最前沿的先进制程节点（7 nm、5 nm 乃至 3 nm、2 nm），是高性能处理器与先进存储芯片的关键工艺之一。
特点：波长远短于 DUV，但对光学系统、真空环境、掩模以及光源生成方式的要求极高，设备及运营成本昂贵。EUV 光源的引入极大减少了多重曝光需求，有利于简化工艺流程并提高整体良率。

三、光源波长与分辨率的基本原理

光刻分辨率通常可用类似瑞利准则（Rayleigh Equation）来进行量化，简化后的表达式为：

其中， λ lambda 为光源波长，NA（数值孔径）为光学系统性能的表征。波长越短，能够成像的最小线宽就越小；同时，如果通过浸没式光刻工艺增大 NA，也可以进一步降低分辨极限。
基于这一原理，产业界为了实现更细微的线宽，不断朝更短波长发展：从传统的 g线、i线过渡到 KrF、ArF，再到 EUV。这也就是光源种类与技术节点之间呈明显“匹配”或“对应”关系的根本原因。

四、影响光源选择的其他因素

光刻机系统复杂度
：波长越短，往往需要更高质量的光学元件和更加复杂的曝光系统；对于 EUV 而言，更是要求在真空环境下工作，整体光源功率、耐用度等都是挑战。
材料与光刻胶
：不同波长下，光刻胶需要满足特定的吸收/透过特性，工艺窗口差异显著。
工艺成本
：更先进的光刻机价格和维护成本都会显著提升，需要评估量产规模和芯片利润空间。
多重曝光与工艺迭代
：对于同一种光源，通过多次曝光（双重、三重等），可以在一定程度上突破单次曝光的物理极限。例如 ArF 浸没式光刻在多次曝光的辅助下也可支撑到 7 nm，甚至部分 5 nm。

五、简要类比：灯光与聚焦

可以将光刻理解为“用灯光在胶片上印出极细的图案”——如果“灯”发出的光束很“粗”（波长长），那能印出清晰小图案的能力就有限；如果使用一种“更精细”的光（波长短），在相同的“镜头”协助下，就能拍到更加细腻的“照片”。在半导体工艺中，灯光、相机镜头和胶片分别对应光源、光学成像系统和光刻胶/硅片表面。

六、总结与展望

总的来说，光源波长是决定半导体光刻分辨能力与技术节点能否顺利推进的关键因素。随着波长不断缩短与对应光学技术的革新，芯片线宽得以持续缩减，推动半导体行业向更高性能、更低功耗和更高密度的方向演进。

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